不同种植系统生态下豆科作物多样化与施肥对土壤钾库影响的14年研究

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Influence of legume diversification and fertilization on soil potassium pools under distinct cropping system ecologies: insight from 14-years study

本综述通过14年长期定位试验，系统揭示了豆科作物多样化与整合养分管理（INM）对旱地（玉米为主）和水田（水稻为主）生态系统中土壤钾库动态的调控机制。研究表明，豆科作物轮作（如玉米-小麦-玉米-鹰嘴豆、水稻-小麦-水稻-鹰嘴豆）结合INM（整合化肥、有机肥与生物肥料）可显著提升土壤水溶性钾（WSK）、交换性钾（EXCK）及非交换性钾（NEXCK）库容，尤其在水田生态中钾库增强效应更为突出（水溶性钾提高3-4倍）。研究为优化钾素管理、缓解土壤钾耗竭提供了生态特异性策略，对保障粮食安全与农业可持续发展具有重要指导意义。

　　

1 引言

钾（K）是植物光合作用、水分平衡及健康生长的关键营养元素，因其对谷物品质、蛋白质和油脂合成的显著影响而被视为“品质元素”。全球约50%的可耕地存在钾缺乏问题，其中亚洲地区缺钾土壤比例高达60%。长期不平衡施肥导致土壤原生钾库耗竭，进而引发产量损失和农业经济风险。研究表明，仅依赖土壤有效钾指导施肥可能因钾库动态变化的复杂性而产生偏差，因此明确钾素各组分（水溶性钾、交换性钾、非交换性钾和矿物钾）的相互作用对优化钾管理至关重要。然而，针对不同种植系统生态（如旱地与水田）的长期钾库演变研究仍较为缺乏。

2 材料与方法

本研究基于印度坎普尔地区14年长期定位试验，对比分析了旱地（玉米-小麦、玉米-小麦-绿豆、玉米-小麦-玉米-鹰嘴豆、木豆-小麦）和水田（水稻-小麦、水稻-小麦-绿豆、水稻-小麦-水稻-鹰嘴豆、水稻-鹰嘴豆）生态下，不同种植系统与养分管理措施（不施肥CT、推荐化肥RDF、整合养分管理INM）对土壤钾库的影响。土壤样品分0–15 cm和15–30 cm两层采集，测定水溶性钾（WSK）、交换性钾（EXCK）、非交换性钾（NEXCK）及全钾含量，并分析其与基准作物（旱地为小麦，水田为水稻）产量的相关性。

3 结果

3.1 旱地生态土壤钾库特征

在0–15 cm土层，玉米-小麦-玉米-鹰嘴豆系统的水溶性钾（15.6 kg ha^?1）和交换性钾（162.7 kg ha^?1）最高，而木豆-小麦系统的非交换性钾（1826.2 kg ha^?1）显著优于其他系统。INM处理在0–15 cm深度较RDF显著提升水溶性钾（37.6%）、交换性钾（17.9%）、非交换性钾（12.2%）和全钾（10.1%）。在15–30 cm深度，INM对水溶性钾、交换性钾和非交换性钾的增幅分别为25.2%、11.0%和10.3%。

3.2 水田生态土壤钾库特征

在0–15 cm深度，水稻-小麦系统的水溶性钾较水稻-小麦-水稻-鹰嘴豆和水稻-小麦-绿豆分别高出50%和30%。交换性钾和非交换性钾在水稻-小麦系统中亦最高。INM处理显著提升各钾库组分，在0–15 cm深度使水溶性钾和交换性钾分别增加47%和27%；在15–30 cm深度，水溶性钾、交换性钾和非交换性钾分别提升18%、12%和12%。

3.3 种植系统生态对钾库的影响

水田生态的钾库优势显著，其0–15 cm土层水溶性钾含量为旱地的3–4倍，交换性钾高52%，非交换性钾和全钾分别增加5%和10%。豆科作物系统（如木豆-小麦、水稻-小麦-水稻-鹰嘴豆）结合INM在两类生态中均能显著提升钾库储量，尤其在非交换性钾的积累方面表现突出。

3.4 土壤深度对钾库的影响

钾库含量随土层加深普遍降低。在旱地生态，非交换性钾在15–30 cm深度下降12.7%；水田生态中交换性钾降幅达35%。表层土壤（0–15 cm）因肥料和残茬输入更易富集钾素。

3.5 钾库与作物产量的相关性

在旱地生态，小麦产量与全钾（R² = 0.2417）、交换性钾（R² = 0.173）及水溶性钾（R² = 0.1834）显著正相关；水田生态中，水稻产量与全钾（R² = 0.3782）和非交换性钾（R² = 0.1761）相关性最高，表明储备钾库对长期生产力维持具有关键作用。

4 讨论

4.1 生产生态对钾库的调控机制

水田生态的高钾库容量与其厌氧环境、黏粒含量及氧化还原状态密切相关。淹水条件促进钾的溶解与吸附，而旱地土壤因通气性强、淋溶损失大，钾库稳定性较差。豆科作物通过深层根系活化下层钾素，缓解了钾的垂直分布不均问题。

4.2 种植系统对钾动态的影响

禾本科连作系统（如水稻-小麦）虽短期钾吸收效率高，但长期可能导致非交换性钾耗竭。豆科作物系统则通过根系构型差异和残茬钾返还，增强钾的循环利用。木豆-小麦系统在旱地生态中表现出对非交换性钾的显著提升作用，与其深根系特性和有机质输入有关。

4.3 养分管理措施的增效机制

INM通过有机-无机配施改善土壤阳离子交换量（CEC），减少钾固定，促进微生物介导的钾释放。作物残茬归还可提高交换性钾占比，因其分解过程中优先吸附高价阳离子（如Al³⁺、Ca²⁺），释放K⁺至交换位点。

4.4 钾库分层与作物响应的生态适应性

钾在表土富集现象突出，浅根作物更易利用表层钾资源。产量与全钾的高度相关性提示，在长期系统中应注重通过INM和轮作设计维持钾库总量，而非仅追求速效钾提升。

5 结论

豆科作物多样化与INM协同可显著优化旱地和水田生态的钾库容量，其中水田生态的钾保持能力尤为突出。推荐在印度恒河平原等集约化农区推广水稻-小麦-水稻-鹰嘴豆、木豆-小麦等豆科轮作系统，并结合INM以实现钾素可持续管理。未来需加强不同土壤类型和气候区下的钾库动态监测，并引入矿物学分析（如X射线衍射）深化机制解析。